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金属纳米材料的优势及如何使材料表面纳米化

发布时间:2017-12-29 15:21:20

在生活中已经不少纳米材料的应用,纳米材料在学术界对纳米微粒粒径有着明确的定义,而生活中很多应用实际上是偏向于纳米结构,是微粒化材料表面,这种应用在表面上与普通同类物品有区别,然后性能强度不一定达得到,或者耐久性会差一些。

纳米材料,纳米科技

当然也有很多商家营销的成分在里面,广告宣传与实际性能有很大差距,所以纳米材料在日常生活中的应用方面还有一段路要走,需要更多的纳米技术良心企业推动和参与,言归正传:


什么是纳米材料

纳米材料指材料微观结构的特征尺寸处于纳米量级(0.1-100 nm)的材料,微观结构既包括组成材料的结构单元如晶粒,也包括材料自身尺度的微观化即低维材料。

按此定义,纳米材料分为3 大类

(1)低维纳米材料

包括纳米微粒、纳米线、纳米管、纳米缆、纳米膜、纳米有机大分子等。

(2)表层纳米材料

包括各种表面处理技术(如离子注入、激光处理、物理和化学气相沉积PVD 和 CVD、表面机械研磨制备的用以提高材料表面性能(如抗蚀、耐磨等)的固体表层结构。

(3)块体纳米材料

由尺度为纳米量级的结构单元构成。


表面纳米化有哪些优势

优势一:硬度和强度的提升

晶粒大小与多晶金属材料力学性能有密切的联系。表面纳米化使材料表面(和整体)的力学和化学性能得到不同程度的改善。表面纳米晶层的硬度显著提高,并随着深度的增加而逐渐减小;与显微组织未发生变化的心部相比,表面硬度可提高几倍,表面以下亚微晶层的硬度也明显增大。对于晶粒尺寸从几到几百微米的普通晶体材料,强度和硬度与晶粒尺寸的大小之间的关系,可以用传统的Hall-Petch 关系来描述。

纳米金属材料拉升强度提升

左图可见与未发生变化的心部组织比,表面硬度提高了两倍以上。由纳米晶层(从表面到约40μm 深度)到亚微晶层(40-80μm 深度),硬度逐渐减小,并趋于稳定;从右 图可见,硬度随d-1/2 增大几乎呈线性增加的。因此可以确定表面纳米化对材料的强化有着一定的贡献,纳米材料的硬度亦随着晶粒尺寸的减小而增大。


优势二:摩擦磨损性能的改善

表面纳米化有效提高了材料表面硬度,因此也有助于改善材料的摩擦磨损性能,由于机械加工处理引起的表面粗糙度的增加对材料的低载荷耐磨性产生不利的影响。随着载荷的增加,未处理材料的磨损量急剧增大,而表面纳米化材料的磨损量变化却很小。

材料表面纳米涂层提高了表面硬度

注:SMAT为表层纳米化的某种技术

(a)为低碳钢表面纳米化前后试样的磨损量,可见在不同载荷下,纳米晶组织的形成能够改善材料的耐磨性;

(b)图是摩擦因数的变化,在任一载荷下,表面纳米化试样的表面摩擦系数都明显低于原始试样。可见表面纳米化能够明显地提高高载荷下材料的耐摩擦磨损性能。

表面纳米化后试样摩擦磨损行为的提高主要源于两方面的原因:一方面是因为纳米晶具有高的强度和硬度,磨粒压入表层的深度小,配副相对试样表面运动的阻力较小,所以表面纳米化试样的磨损量均比原样小;另一方面是因为表面纳米晶组织能有效地抑制裂纹的萌生,而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展,因此在相同载荷下表面纳米化试样较原始粗晶试样更难发生疲劳磨损。


优势三:表面化学活性

研究发现,纳米晶体材料(或者纳米结构材料)中原子的扩散激活能更低,其相应的扩散系数更高,这是由纳米材料中晶界体积所占比例的提高引起的。卢柯院士研究组对纯铁进行表面纳米化处理后,进行渗氮,发现渗氮动力学条件明显得到改善。在传统的粗晶粒铁中渗氮时,晶格扩散占主导地位,而在纳米晶铁中渗氮主要沿着晶界进行,这是因为晶界的激活能更小。通过表面纳米化,在表面纳米层中形成了大量的储能,在低温下使渗氮有足够的驱动力。

纳米化改变了材料表面的结构,有助于大幅度地提高材料表面化学元素的渗入浓度和深度。

纳米材料表面结构

优势四:耐蚀性提升

表面纳米化处理很大程度上影响了材料的耐腐蚀性。实验发现316L不锈钢表面纳米化后,抗应力腐蚀性能提高,纳米化时间越长,材料的抗应力腐蚀性能提高越多。其主要原因是表面的残余压应力提高了材料抗开裂的能力;塑性变形诱发马氏体增加了表面变形量,可延长断裂时间;细小的晶粒强度增加,抗应力腐蚀能力增强。当然,影响纳米材料腐蚀性能的因素不仅仅包括晶粒尺度,纳米化工艺,还包括材料的结构、成分及状态等

优势五:抗拉强度提升

表面纳米化后,材料表面性能的改善对材料的整体性能也产生了有利的影响。表面纳米化能够有效的提高材料的整体强度,同时又不明显的降低材料的韧性。


如何使金属材料表面纳米化

常见的材料表面纳米化技术

金属表面纳米微粒材料制备

1、表面涂层或沉积

该法是将预先制备出的具有纳米尺度的微粒固结在材料的表面,在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层,如青山新材电路板表面防潮防腐蚀纳米涂层及金属表面防腐涂层,就是通过非常简单的工艺使纳米涂料附着在材料表面。这种材料的主要特征是:纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀,表层与基体之间存在着明显的界面,材料的外形尺寸与处理前相比有所增加,如图。

许多常规表面涂层和沉积技术都具有较大的开发、应用潜力,如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等方法。通过工艺参数的调节可以控制纳米结构表层的厚度和纳米晶粒的尺寸。整个工艺过程的关键是,实现表层与基体之间以及表层纳米微粒之间的牢固结合,并且保证表层不发生晶粒长大。到目前为止,这些技术经不断地发展完善,己经比较成熟。

金属表面纳米涂层

物理气象沉积法PVD表面处理

2、表面自身纳米化

该法针对多晶材料,通过非平衡处理等方法,使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。这种材料的主要特征是:晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大,纳米结构表层与基体之间不存在明显界面,与处理前相比,材料的外形尺寸基本不变。非平衡过程实现表面纳米化的方法包括:表面机械研磨处理法和非平衡热力学法,不同方法所采用的工艺技术和由其所导致的纳米化微观机理均存在着较大差异。

(1) 表面机械研磨处理法:在外加载荷的重复作用下,材料表面粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。,其中比较成功的方法有:超声喷丸、表面机械加工技术和一些常规技术如普通喷丸、冲击和机械研磨等,利用这些技术己分别在纯铁、不锈钢和非铁基金属等常规金属材料上制备出纳米结构表层。

(2) 非平衡热力学法:将材料快速加热,使材料的表面达到熔化或相变温度,再进行急剧冷却,通过动力学控制来提高形核率、抑制晶粒长大速率,可以在材料的表面获得纳米晶组织。用于实现快速加热-冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。

随着纳米材料研究的不断深入与纳米技术的发展,将表面改性与纳米材料相结合来制备纳米材料受到了人们的重视,其特点是通过提高材料表面性能来提高构件服役性能。表面纳米化技术被认为是今后一段时间可将纳米材料应用于工程实际的最重要技术之一。

金属材料的纳米化具有很高的潜力,机械零部件的质量和材料质量息息相关,如能克服纳米材料制备这个关卡或者使用类似TIS-NM金属纳米涂层这样性能好的纳米材料,使得金属材料纳米化更加容易,更加稳定,则我们的机械制造质量就会上升到一个新的台阶。



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